多晶硅生產中硅芯色澤異常的機理研究

許 躍

（新疆協鑫新能源材料科技有限公司，新疆昌吉 831800）

想要對多晶硅生產中的硅芯色澤異常現象進行機理研究，首先要對硅芯色澤異常現象的含義進行一個深入的了解。所謂的硅芯色澤異常，指的是原本應當煥發金屬光澤的多晶硅硅芯出現了其他的顏色。一旦出現該種現象，那么很可能在多晶硅的生產過程中出現跳硅現象。這會對多晶硅的生產質量產生較為重要的影響，因此對硅芯色澤異常現象進行深入的研究與分析是很有必要的，也是很有意義的。

1 實驗研究背景

正因為多晶硅的生產在未來的科學技術領域占有較為重要的地位，故而各個國家在硅芯色澤異常的機理研究問題上，顯得比較封閉保守，并不熱衷于進行學術研究意見的交流。因此我國在進行多晶硅的生產過程中，但凡出現硅芯色澤異常的現象，都無法通過其他國家研究成果的啟發，來進行更具創新性的機理研究。因此硅芯色澤異常問題仍然是目前我國多晶硅生產過程中，較為難以解決的問題。本文對硅芯色澤異常的問題進行了深入的探討，以期能夠給相關技術研究人員以更多的參考

2 實驗過程分析

2.1 實驗原料

為了使得實驗的結果更具客觀性與科學性，選用一種正常色澤的硅芯和三種異常色澤的硅芯來作為實驗原料進行相對應的分析與研究。本文所選擇的三種異常色澤的硅芯，其異常顏色分別表現為藍黑色、黑黃色以及藍色。在確定好了實驗原料之后，把異常硅芯均勻的切割成寬10mm、長10mm、高5mm 的長方體。在切割完畢后，用砂紙將目標檢測硅芯的背面磨平，只有如此才能夠保障檢測樣品的平整性。將所有的檢測樣品都磨平之后，便可以將相關樣品放置在無水乙醇中進行超聲清洗。需要注意的是，超聲清洗的時間必須要達到30min，并且在超聲清洗完畢后要立即用純度較高的N2吹干。

2.2 檢測方式

在對目標實驗材料進行了上述的制備之后，便可以直接使用酸腐蝕的方法來對目標實驗材料進行酸腐蝕。在酸腐蝕完成后便可以使用電子探針對目標實驗材料表面的化學元素進行探測。當然，相關技術研究人員也可以使用電子能譜儀來對目標實驗材料表面的化學成分進行分析與研究。

2.3 化學成分分析

需要注意的是，所有進行檢測的目標實驗材料表面可能都存在著一系列的雜質。這些雜質的存在，很可能會對實驗結果產生嚴重的影響。因此，為了保證實驗的精確性與科學性，必須要對所有目標實驗材料使用電子探針進行分析與研究。并且在使用電子探針的過程中，還需要對目標實驗材料的不同部位進行探測。通過探測發現，不論是哪一種類型的目標實驗材料的表面都僅僅只含有Si 元素。因此通過目標實驗材料表面的化學元素分析可以知曉，目標實驗材料表面的化學元素并不是導致硅芯色澤變異的主要原因。在對三種變異色澤的硅芯進行了酸腐蝕實驗后，相關技術研究人員需要使用電子探針以及電子能譜，對目標實驗物進行化學成分分析。進行酸腐蝕實驗的1號目標，實驗材料是色澤為黑黃色的異常顏色硅芯。1號目標在進行了酸腐蝕實驗后，其顏色發生了較為顯著的變化，其內部的雜質元素消失不見，酸腐蝕之后只剩下Si 元素。而2號目標實驗材料是色澤為藍色的變異色澤硅芯。2號目標在進行了酸腐蝕實驗后，其他的雜質元素也通通消失不見，顏色也發生了較為顯著的變化。而3號目標實驗材料是色澤變異為黑色的實驗樣品，該目標實驗材料在進行了酸腐蝕試驗后，其色澤并沒有明顯的變化。使用電子探針以及電子能譜儀對3號目標實驗材料進行分析后發現，在酸腐蝕實驗過后其內部的化學元素仍然存在雜質。

為了對三種目標實驗材料進行更深入的研究與分析，使用精度更高的電子能譜儀對三種實驗材料進行檢測。通過檢測數據的記錄不難發現，三種目標實驗材料，都存在氧、碳、氮等元素。但三種目標實驗材料內部的各類化學元素成分比重有所不同，1號目標實驗材料內部Si 元素的占比成分最高，大約達到了53.72%左右，并且1號目標實驗材料中存在氯元素。而2號目標實驗材料中氧元素的成分含量較高，3號目標實驗材料中的氮元素成分含量較高。通過這樣的對比分析，相關技術研究人員可以對三類目標實驗材料表面層的化學元素進行較為深入的分析。1號目標實驗材料表面可能存在硅氧化合物以及無定形硅和1號碳元素。2號目標實驗材料的表面僅僅存在過氧化合物以及1號碳元素，而不存在無定形硅。3號目標實驗材料表面存在硅氮化合物以及2號碳元素。

2.4 形成機理分析

綜上所述，1號目標實驗材料表面的異常成分要比2號目標實驗材料以及3號目標材料多一些。就目前的科學檢測技術而言，并沒有任何一種檢測技術能夠真實地反映有關硅芯色澤變異的全過程。因此要從其他方面進行輔助分析與研究。由于1號目標實驗材料表面異常成分較為豐富，因此應當對1號目標實驗材料進行更為詳細的研究與討論。樣品1腐蝕前后對比如圖1所示。

圖1 樣品1腐蝕前后對比圖

在之前的酸腐蝕實驗過程中，相關研究人員發現，1號目標實驗材料在進行了酸腐蝕實驗后，硅芯表面的黃黑色明顯消失，逐漸顯露出了其原始的顏色。這就意味著1號目標實驗材料表面的異常物質可以被酸腐蝕消耗掉，因此這些異常物質并不是硅碳化合物或者硅氮化合物形成的薄膜。而一號目標實驗材料表面存在無定形硅，因此1號目標實驗材料表面形成的薄膜可能是無定形硅薄膜。色澤變化機理如圖2所示。實際上在顏色變異之前，硅芯會與氧氣產生氧化反應，氧化反應過后無定形硅薄膜會逐漸形成，最后由于炭黑的附著而使得表面形成了黑黃色。但需要注意的是，由于無定形硅所形成的薄膜，其質地并不緊密，因此在進行酸腐蝕實驗過程中，有關材料的分子結構十分容易透過炭黑薄膜進入到內層的無定形薄膜內，導致無定形薄膜被腐蝕掉。

圖2 色澤變化機理圖

3 結論分析

經過上述的實驗研究不難發現，不存在色澤異常變化的硅芯在使用電子探針進行表面化學成分的探測時，并沒有探測到任何雜質元素。因此成品硅芯的生產過程中并不會使得硅芯出現異常情況的。而在對三種目標實驗材料進行酸腐蝕以及EPM A 分析后，相關研究人員發現，1號目標實驗材料以及2號目標實驗材料，在經過酸腐蝕實驗后，其表面顏色有明顯的變化，因此其表面的化學物質容易被相關溶液腐蝕掉。但經過電子能譜分析后，相關研究人員發現兩類目標實驗材料表面的化學成分并不能與其相關的化學性能進行明顯的一一對應。哪怕是表面化學成分相同的硅芯，也可能會出現不同的化學性能。通過對其形成機理的分析與研究發現，任何出現色澤異常現象的硅芯，其表面的薄膜都是硅氧、硅碳以及硅氮幾種化合物和無定形硅薄膜以及炭黑薄膜隨機組合而形成的。由于1號目標實驗物表面的化學成分較為豐富，因此相關實驗研究人員著重對1號目標實驗物表面的成分進行研究與分析，通過研究后發現1號目標實驗材料表面的薄膜組成順序，由里向外依次為硅氮化合物、無定形硅以及炭黑薄膜。這三種薄膜的組合形成導致1號目標實驗物表面呈黑黃色。

4 相關建議分析

在進行了多晶硅生產過程中硅芯色澤變異原理的機理分析后，要根據現有的成果進行相應的技術研究分析，采取具有可行性的措施來進行未來多晶硅生產過程中的實踐指導。首先，相關生產人員要時刻嚴格遵循相對應的生產規章流程制度來進行多晶硅的生產，確保多晶硅的生產質量不會由于原料組成成分的變化而產生問題。同時，還需要通過不斷的技術嘗試來使得未來的檢驗方法與過程變得更加科學合理、精確穩定，只有如此才能夠使得多晶硅的生產變得更加穩定、安全。同時對于投入到生產過程中進行運用的生產設備，相關技術研究人員也要予以足夠的重視。定期對相關設備進行檢驗與維修，避免由于設備出現問題而導致整體的多晶硅生產出現問題。

5 結束語

通過上述實驗不難發現，倘若產品內部的碳含量過高，那么產品的生產質量就會受到影響。因此相關技術研究人員應定時對系統內部的碳化合物含量進行較為精準的檢測，確保不會由于碳化合物的含量過高而影響到多晶硅整體的生產質量。